發(fā)電機(俗稱電球)是將機械能轉變成交流電能的機器,是柴油發(fā)電機組的電能產生和輸出的機器。

 1、 發(fā)電機的基本結構

19世紀英國科學家法拉第通過實驗發(fā)現了電磁感應現象;導體與磁場的磁力線相對切割運動時,導體中會感應出電動勢。如果將這根導體的兩端連接起來,則在這個閉合導體與磁場相對切割運動時,導體中就會產生感應電流。

原線圈A通以直流電,則線圈因有電流流過而產生直流磁場。在副線圈B的兩端接上電流表G。當線圈A穿越線圈B的中間向下運動時,電流表G的指針會隨之從中心點擺向一邊。向上運動時,電流表G的指針會隨之擺向另一邊。這就是說:由線圈A的直流磁場的磁力線切割線圈B,或者說線圈B內的磁場從無到有或從小到大發(fā)生變化時,它就會產生感應電動勢和感應電流。而且線圈B中的感應電動勢和感應電流的方向還隨磁場方向的變化而變化。通過大量的電磁感應實驗,科學家總結出了恒定磁場與金屬導體線圈相對切割運動時線圈內的感應電動勢為:e=-N*（ΔΦ/Δt）

式中,N代表線圈B共有多少圈(也稱匝)。ΔΦ/Δt是線圈B中的一圈在Δt時間內磁通(表示磁場的強弱)的變化量ΔΦ。

可見線圈B中的感應電動勢e與線圈A穿越其中間上下運動形成的磁通變化有關。而且與其運動的速度也有關,上下運動越快感應電動勢e越大。線圈繞的圈數N越多e也越大。

法拉第定律告訴我們:金屬線圈穿過磁場切割磁力線,或者線圈不動而磁場磁力線掃過它,都會在金屬線圈的兩個端頭間產生電壓。發(fā)電機就是根據這個原理制造的。

按照發(fā)電機的基本結構,磁場固定,金屬線圈繞組做成可旋轉的以便切割磁力線,電壓從這個線圈繞組引出(稱為電樞繞組),這種結構的發(fā)電機叫做旋轉電樞式發(fā)電機。因為電樞是旋轉運動的,電樞繞組的電流要靠活動接觸的電刷和滑環(huán)引出才能供給負荷。因此輸出電流和電壓都不能太大,一般不超過500V,否則電刷和滑環(huán)之間將產生很大的火花。這種結構形式的發(fā)電機已很少采用。

常用的同步發(fā)電機的結構形式是輸出電壓、電流的繞組(即電樞)是固定的,而產生磁力線的線圈繞組是旋轉的,其磁場自然也隨之旋轉,這種叫做旋轉磁場式發(fā)電機。發(fā)電機轉子部分只產生直流磁場,而取消了滑環(huán)和電刷。定子部分有更多的空間嵌放電樞繞組和絕緣材料,電樞產生的電流可以直接輸往負荷,其機械強度和絕緣性能都較好,可靠性也大為提高。所以又稱為無刷同步發(fā)電機。

同步發(fā)電機的定子部分(1)按照120°的空間位置分布了三個同樣的繞組,這就是定子繞組,發(fā)電機的輸出電壓由它們通過發(fā)電機定子繞組(270)引出線接線端子給出,所以把它們也稱為電樞繞組。同步發(fā)電機轉子(4)上面安裝著轉子繞組,它由同一軸上的勵磁機電樞繞組(100)輸出的交流電,經旋轉整流器(78)整流后的直流電供電,并形成主磁場。主磁場和電樞磁場(共同形成一個合成磁場)的磁力線剛掃入電樞繞組時,繞組兩端的電壓小,全部掃入時電壓*大,快掃過繞組時電壓也小。所以說,繞組兩端的電壓是交流變化的,稱之為交流電壓。這樣,同步發(fā)電機就可以產生彼此相差120°的三相交流電壓。如果按順序將這三個電樞繞組編號為A、B、C,則它們各自的輸出電壓瞬時值可表達成

uA=Umsin(2πf t+0°)

uB=Umsin(2πf t-120°)

uC=Umsin(2πf t+120°)

式中,(1)0°、-120°、+120°叫做初相角,它們是由同步發(fā)電機的結構決定的。

(2) f 是電壓的頻率。它表示單位時間內,同步發(fā)電機轉子磁場的磁力線切割電樞繞組的次數。f的大小實際上是由發(fā)電機組的柴油發(fā)動機的轉速決定的,因為是它直接帶著發(fā)電機轉子一起旋轉,轉速越快,則 f 越高。反之亦然, f 越低。對于同一臺同步發(fā)電機而言,顯然三個電壓的頻率 f 是一樣的。2πf 則是轉子磁場的磁力線切割電樞繞組的角頻率,用ω表示。從三相電壓的表達式可知:2πf t+φi(φi=0°、-120°、+120°)是正弦量變化的核心,它反映了正弦量隨時間t變化的進程。

(3)Um是電壓的*大值。它是由同步發(fā)電機的勵磁系統勵磁電流的大小決定的,同步發(fā)電機的轉子磁場是由勵磁電流流過轉子繞組產生的,電流大則轉子磁場強,磁力線切割電樞繞組在繞組上產生的感應電動勢就大。反之亦然,感應電動勢就小。同步發(fā)電機只有一個勵磁系統,因此三個繞組輸出電壓的*大值Um都是一樣的。

根據設計,三個電樞繞組之間的電壓(稱為線電壓)為380～400V。由于這種同步發(fā)電機在電氣性能和機械性能方面都具有優(yōu)點,因而被柴油發(fā)電機組普遍采用。

3 、 轉子繞組的勵磁 

所謂勵磁即是向同步發(fā)電機轉子繞組提供直流電,使其產生直流磁場的過程。早期的發(fā)電機是采用單獨的勵磁機給轉子線圈提供直流電,系統龐大而復雜。隨著技術的進步,現代同步發(fā)電機都是將發(fā)電機與勵磁機組裝在一起構成一個完整的發(fā)電機。

勵磁機其實就是個小發(fā)電機,其工作原理與同步發(fā)電機一樣。所不同的是它的定子線圈和轉子線圈所起的作用與同步發(fā)電機——主發(fā)電機正好相反;勵磁機定子繞組(90)固定在主發(fā)電機定子旁,勵磁機的定子線圈通以直流電形成直流磁場。而安裝在主發(fā)電機轉子軸上的勵磁機的轉子線圈,勵磁機電樞繞組(100)成為輸出電壓的繞組。勵磁機的轉子與定子內壁之間也是保持著較小而均勻的間隙。勵磁機定子線圈的直流電,是由主發(fā)電機定子線圈即電樞的部分輸出電壓經整流后而得到的。它使勵磁機定子線圈產生直流磁場,且該磁場是不動的。工作時,與主發(fā)電機轉子同軸安裝的勵磁機轉子線圈在這個磁場內旋轉、切割磁力線產生感應電動勢。該電勢經同軸安裝在勵磁機電樞繞組旁邊的旋轉整流器(78)變成直流電流,再輸到主發(fā)電機的轉子繞組使其產生直流轉子磁場。從而達到了對主發(fā)電機轉子繞組勵磁的要求。

 4 、輸出電壓的調控 

調控的目的就是實現在同步發(fā)電機額定范圍內的負荷,無論其性質及大小如何變化都能穩(wěn)住輸出電壓。調控的技術方式隨著發(fā)電機額定功率的不同、每個時期技術發(fā)展程度的不同,有簡潔及**的許多類型。

但總的理念都是:實時從主發(fā)電機電樞取得電壓和電流,經自動電壓調節(jié)器整流和負反饋調理后供給勵磁機的定子線圈,使其產生變化規(guī)律與主發(fā)電機輸出電壓變化規(guī)律相反的直流電磁場。這個磁場也必然使勵磁機轉子電樞的輸出電壓以及旋轉整流器供給主發(fā)電機轉子線圈的直流電流按同樣的規(guī)律而變化。從而起到實時調節(jié)主發(fā)電機轉子磁場大小,使主發(fā)電機在額定負荷范圍內保持良好輸出特性的作用。

對發(fā)電機輸出電壓的調控過程,自動電壓調節(jié)器起著重要作用。

可見,通過勵磁機實時調控主發(fā)電機轉子繞組磁場的大小,就可以穩(wěn)住輸出電壓。這其中起重要作用的是具有負反饋功能的自動電壓調節(jié)器。通常也稱其為恒壓勵磁裝置。

 5 、自動電壓調節(jié)器 

在柴油發(fā)電機組的額定負荷范圍之內,無論負荷是電阻、電容、電感性或兼而有之,也無論它們的大小怎樣變化,對柴油機的主要要求是穩(wěn)住轉速(通常柴油發(fā)動機的額定轉速為每分鐘1500轉)。而對同步發(fā)電機的主要要求則是穩(wěn)住輸出電壓。為此,一般都采用以**電子裝置為核心的自動電壓調控系統。

現代交流同步發(fā)電機常用自動電壓調節(jié)器(AVR)這種電子部件,調節(jié)勵磁機定子磁場的強弱。進而達到穩(wěn)住輸出電壓的目的。雖然AVR的種類很多,但性能大同小異。都是實時采樣主發(fā)電機的輸出電壓值與預先設定的值相比較,用比較的結果去調節(jié)脈沖寬度調制器(PWM)。輸出電壓值高則調制器輸出脈沖寬度窄,反之則寬。然后再用這些脈沖去調控大功率半導體開關器件,控制送入勵磁機定子線圈的電流的時間及大小。從而使它的磁場強弱隨著主發(fā)電機輸出電壓的變化而相反變化。即輸出電壓升高則勵磁機定子磁場減小,輸出電壓降低則勵磁機定子磁場增強,從而達到負反饋調控的目的。

采樣取自主發(fā)電機輸出的部分電壓,從(8)、(9)兩端進入電壓測量單元。經降壓、分壓、整流濾波后,得到與發(fā)電機輸出電壓成正比的直流電壓。它被R4、R5、PR1分壓后獲得電壓UA,并送入脈寬調制器。出廠前或者發(fā)電機帶載正常工作時,調節(jié)RHR外接電壓微調電位器使UA確定一個值作為基準。測量單元輸出的電壓Uc則送入低頻保護單元。

脈沖寬度調制器(PWM)的輸出調寬脈沖UB控制調制管VT3。若由電壓測量單元送來的UA比基準電壓大,表明主發(fā)電機輸出電壓升高,則大的UA就會使脈沖寬度調制器輸出的脈沖電壓UB的寬度變窄。窄的脈沖就會使VT3導通時間短,通過的電流小。反之,主發(fā)電機輸出電壓降低,UA變小,則脈沖寬度調制器輸出UB的寬度隨之變寬,從而使VT3導通時間變長,通過的電流增多。

勵磁機的定子線圈一端接在端子X1上,另一端接在XX1端子上。由主發(fā)電機電樞繞組取樣的XA、XB、Xc三相電壓(一般為36～45V),經過三個二極管VD10、VD11、VD12整流后,其直流電流從X1端流入勵磁機的定子線圈,由XX1流出,再經過調制管VT3和XN端子流回主發(fā)電機電樞繞組,形成一個勵磁機定子線圈的勵磁電流通路。VT3是這個通路上的開關,它導通時間長,則定子線圈流過的電流大,勵磁機定子磁場強度變大。VT3導通時間短,定子線圈電流少,定子磁場強度小。

AVR就是這樣調控主發(fā)電機的電壓的。主發(fā)電機由于負荷原因輸出電壓升高,電壓測量單元輸出的UA隨著升高,受UA控制的脈寬調制器輸出脈沖電壓UB寬度變窄,開關管VT3導通時間短,勵磁機定子繞組因電流少磁場減弱,勵磁機轉子電樞電壓及旋轉整流器輸出電流隨之減小，導致供給主發(fā)電機轉子繞組的勵磁電流變小，則主發(fā)電機因其轉子磁場的減小而使輸出電壓降低。反之，AVR的負反饋調控功能就會使主發(fā)電機的輸出電壓升高。

在主發(fā)電機因負荷超出額定值而輸出極大電流時,柴油發(fā)動機也需隨之輸出巨大的動力導致其轉速低于額定值。低頻保護單元的作用就是在這種情況下限制勵磁機定子線圈里電流的超額增大。它以電阻和電容構成的充放電支路預先設定一個低頻保護點,當主發(fā)電機負荷正常時,從電壓測量單元來的Uc小于低頻保護點,則低頻保護單元輸出的電壓UD高,二極管VD8被截止,UD到不了脈寬調制器,起不了作用。若主發(fā)電機超載則UD變低,VD8導通,UD和UA就可同時作用于脈寬調制器,使其輸出的UB隨UD的下降而變窄,調制管VT3導通時間隨之變短,勵磁電流減小,勵磁機定子磁場變弱。從而導致主發(fā)電機轉子磁場減小。發(fā)電機輸出電壓下降、電流減小。低頻保護單元起到了保護勵磁機和主發(fā)電機的作用。

 6 、同步發(fā)電機常用技術參數

理解同步發(fā)電機的技術參數,對管好用好柴油發(fā)電機組是十分必要的。常用的參數有：

額定電壓UH——同步發(fā)電機正常工作時,定子內的三相電樞繞組每組線端(每組的電壓輸出端)之間的線電壓。單位是V或kV。一般UH值為400V(線電壓)或230V(相電壓)。

額定電流IH——帶額定負荷正常工作時,流過定子繞組的線電流,單位是A或者kA。

額定功率因數cosφH——同步發(fā)電機帶額定負荷正常工作時,其每相定子繞組內的電壓與電流之間相角差φH的余弦函數值。一般這個值是根據電力系統的需要情況設計而定的。通常為0.8(滯后)。

額定容量SH——在額定負荷及額定功率因數情況下正常運行時,同步發(fā)電機輸出的視在功率。單位是kVA。有時也用有功功率PH表示,其單位為kW。兩者之間的關系是PH=SHcosφH。額定容量是同步發(fā)電機的重要參數之一,它表明該機的發(fā)電能力。

額定頻率fH——額定運行時,同步發(fā)電機輸出電壓每秒鐘內交變的次數。單位是Hz。我國制定的工業(yè)頻率為50Hz。

效率η——同步發(fā)電機輸出的有功功率與輸入的有功功率(柴油發(fā)動機對它做的有功功率)的比值。它是表征同步發(fā)電機運行經濟性的重要參數,越高越好。

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